絕大多數(shù) iOS 開(kāi)發(fā)者在學(xué)習(xí) runtime 時(shí)都閱讀過(guò) runtime.h 文件中的這段代碼:

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class   OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name    OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version      OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info        OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size   OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars   OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols  OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

可以看到其中保存了類的實(shí)例變量，方法列表等信息爱致。

不知道有多少讀者思考過(guò) OBJC2_UNAVAILABLE 意味著什么糠悯。其實(shí)早在 2006 年逢防，蘋(píng)果在 WWDC 大會(huì)上就發(fā)布了 Objective-C 2.0忘朝，其中的改動(dòng)包括 Max OS X 平臺(tái)上的垃圾回收機(jī)制(現(xiàn)已廢棄)判帮，runtime 性能優(yōu)化等晦墙。

這意味著上述代碼晌畅，以及任何帶有 OBJC2_UNAVAILABLE 標(biāo)記的內(nèi)容，都已經(jīng)在 2006 年就永遠(yuǎn)的告別了我們棋凳，只停留在歷史的文檔中剩岳。

Category 的原理

雖然上述代碼已經(jīng)過(guò)時(shí)拍棕，但仍具備一定的參考意義勺良，比如 methodLists 作為一個(gè)二級(jí)指針尚困，其中每個(gè)元素都是一個(gè)數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素則是一個(gè)方法示弓。

接下來(lái)就介紹一下 category 的工作原理奏属，在美團(tuán)的技術(shù)博客 深入理解Objective-C：Category 中已經(jīng)有了非常詳細(xì)的解釋潮峦，然而可能由于時(shí)間問(wèn)題忱嘹，其中的不少內(nèi)容已經(jīng)過(guò)時(shí)拘悦，我根據(jù)目前最新的版本(objc-680) 做一些簡(jiǎn)單的分析础米，為了便于閱讀，在不影響代碼邏輯的前提下有可能刪除部分無(wú)關(guān)緊要的內(nèi)容医寿。

概述

首先 runtime 依賴于 dyld 動(dòng)態(tài)加載靖秩，在 objc-os.mm 文件中可以找到入口盆偿，它的調(diào)用棧簡(jiǎn)單整理如下:

void _objc_init(void)
└──const char *map_2_images(...)
    └──const char *map_images_nolock(...)
        └──void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)

以上四個(gè)方法可以理解為 runtime 的初始化過(guò)程事扭，我們暫且不深究乐横。在 _read_images 方法中有如下代碼:

if (cat->classMethods  ||  cat->protocols
    /* ||  cat->classProperties */) {
    addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
    if (cls->ISA()->isRealized()) {
        remethodizeClass(cls->ISA());
    }
}

根據(jù)注釋可見(jiàn)蘋(píng)果曾經(jīng)計(jì)劃利用 category 來(lái)添加屬性葡公。在 addUnattachedCategoryForClass 方法中會(huì)找到當(dāng)前類的所有 category催什，然后在 remethodizeClass 真正的去做處理。不過(guò)到目前為止還沒(méi)有接觸到相關(guān)的 category 處理拆内，我們繼續(xù)沿著調(diào)用棧向下走:

void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)
└──static void remethodizeClass(Class cls)
    └──static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)

這里的 attachCategories 就是處理 category 的核心所在麸恍，不過(guò)在閱讀這段代碼之前，我們有必要先熟悉一下相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)搀矫。

Category 相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

首先來(lái)了解一下一個(gè) Category 是如何存儲(chǔ)的抹沪，在 objc-runtime-new.h 中可以看到如下定義，我只列出了其中成員變量:

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
};

可見(jiàn)一個(gè) category 持有了一個(gè) method_list_t 類型的數(shù)組瓤球，method_list_t 又繼承自 entsize_list_tt融欧，這是一種泛型容器:

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    // 成員變量和方法
};
template  struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
    Element first;
};

這里的 entsize_list_tt 可以理解為一個(gè)容器，擁有自己的迭代器用于遍歷所有元素卦羡。 Element 表示元素類型噪馏，List 用于指定容器類型虹茶，最后一個(gè)參數(shù)為標(biāo)記位。

雖然這段代碼實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜隅要，但仍可了解到 method_list_t 是一個(gè)存儲(chǔ) method_t 類型元素的容器蝴罪。method_t 結(jié)構(gòu)體的定義如下:

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

最后，我們還有一個(gè)結(jié)構(gòu)體 category_list 用來(lái)存儲(chǔ)所有的 category步清，它的定義如下:

struct locstamped_category_list_t {
    uint32_t count;
    locstamped_category_t list[0];
};
struct locstamped_category_t {
    category_t *cat;
    struct header_info *hi;
};
typedef locstamped_category_list_t category_list;

除了標(biāo)記存儲(chǔ)的 category 的數(shù)量外要门，locstamped_category_list_t 結(jié)構(gòu)體還聲明了一個(gè)長(zhǎng)度為零的數(shù)組，這其實(shí)是 C99 中的一種寫(xiě)法廓啊，允許我們?cè)谶\(yùn)行期動(dòng)態(tài)的申請(qǐng)內(nèi)存欢搜。

以上就是相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只要了解到這個(gè)程度就可以繼續(xù)讀源碼了谴轮。

處理 Category

對(duì) Category 中方法的解析并不復(fù)雜炒瘟，首先來(lái)看一下 attachCategories 的簡(jiǎn)化版代碼:

static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches) {
    if (!cats) return;
    bool isMeta = cls->isMetaClass();
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int i = cats->count;
    while (i--) {
        auto& entry = cats->list[i];
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
        }
    }
    auto rw = cls->data();
    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);
}

首先，通過(guò) while 循環(huán)第步，我們遍歷所有的 category疮装，也就是參數(shù) cats 中的 list 屬性。對(duì)于每一個(gè) category粘都，得到它的方法列表 mlist 并存入 mlists 中廓推。

換句話說(shuō)，我們將所有 category 中的方法拼接到了一個(gè)大的二維數(shù)組中翩隧，數(shù)組的每一個(gè)元素都是裝有一個(gè) category 所有方法的容器樊展。這句話比較繞，但你可以把 mlists 理解為文章開(kāi)頭所說(shuō)，舊版本的 objc_method_list **methodLists专缠。

在 while 循環(huán)外雷酪，我們得到了拼接成的方法，此時(shí)需要與類原來(lái)的方法合并:

auto rw = cls->data();
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);

這兩行代碼讀不懂是必然的藤肢，因?yàn)樵?Objective-C 2.0 時(shí)代太闺，對(duì)象的內(nèi)存布局已經(jīng)發(fā)生了一些變化。我們需要先了解對(duì)象的布局模型才能理解這段代碼嘁圈。

Objective-C 2.0 對(duì)象布局模型

• objc_class

相信讀到這里的大部分讀者都學(xué)習(xí)過(guò)文章開(kāi)頭所說(shuō)的對(duì)象布局模型省骂，因此在這一部分，我們采用類比的方法最住，來(lái)看看 Objective-C 2.0 下發(fā)生了哪些改變钞澳。

首先，Class 和 id 指針的定義并沒(méi)有發(fā)生改變涨缚，他們一個(gè)指向類對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體轧粟，一個(gè)指向?qū)ο髮?duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體:

// objc.h
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

比較有意思的一點(diǎn)是，objc_class 結(jié)構(gòu)體是繼承自 objc_object 的:

struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
struct objc_class : objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    class_rw_t *data() {
        return bits.data();
    }
};

這一點(diǎn)也很容易理解脓魏，早在 Objective-C 1.0 時(shí)代兰吟，我們就知道一個(gè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)體只有 isa 指針，指向它所屬的類茂翔。而類的結(jié)構(gòu)體也有 isa 指針指向它的元類混蔼。因此讓類結(jié)構(gòu)體繼承自對(duì)象結(jié)構(gòu)體就很容易理解了。

可見(jiàn) Objective-C 1.0 的布局模型中珊燎，cache 和 super_class 被原封不動(dòng)的移過(guò)來(lái)了惭嚣，而剩下的屬性則似乎消失不見(jiàn)。取而代之的是一個(gè) bits 屬性悔政，以及 data() 方法晚吞，這個(gè)方法調(diào)用的其實(shí)是 bits 屬性的 data() 方法，并返回了一個(gè) class_rw_t 類型的結(jié)構(gòu)體指針谋国。

• class_data_bits_t

以下是簡(jiǎn)化版 class_data_bits_t 結(jié)構(gòu)體的定義:

struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
}

可見(jiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)體只有一個(gè) 64 位的 bits 成員槽地，存儲(chǔ)了一個(gè)指向 class_rw_t 結(jié)構(gòu)體的指針和三個(gè)標(biāo)志位。它實(shí)際上由三部分組成芦瘾。首先由于 Mac OS X 只使用 47 位內(nèi)存地址闷盔，所以前 17 位空余出來(lái)，提供給 retain/release 和 alloc/dealloc 方法使用旅急，做一些優(yōu)化逢勾。其次，由于內(nèi)存對(duì)齊藐吮，指針地址的后三位都是 0溺拱，因此可以用來(lái)做標(biāo)志位:

// class is a Swift class
#define FAST_IS_SWIFT           (1UL<<0)
// class or superclass has default retain/release/autorelease/retainCount/
//   _tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR     (1UL<<1)
// class's instances requires raw isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA   (1UL<<2)
// data pointer
#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL

如果計(jì)算一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)逃贝，F(xiàn)AST_DATA_MASK 這個(gè) 16 進(jìn)制常量的二進(jìn)制表示恰好后三位為0，且長(zhǎng)度為47位: 11111111111111111111111111111111111111111111000迫摔，我們通過(guò)這個(gè)掩碼做按位與運(yùn)算即可取出正確的指針地址沐扳。

引用 Draveness 在 深入解析 Objective-C 中方法的結(jié)構(gòu) 中的圖片做一個(gè)總結(jié):

1470280896667574.png

bits 示意圖

• class_rw_t

bits 中包含了一個(gè)指向 class_rw_t 結(jié)構(gòu)體的指針，它的定義如下:

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
}

注意到有一個(gè)名字很類似的結(jié)構(gòu)體 class_ro_t句占，這里的 'rw' 和 ro' 分別表示 'readwrite' 和 'readonly'沪摄。因?yàn)? class_ro_t 存儲(chǔ)了一些由編譯器生成的常量。

These are emitted by the compiler and are part of the ABI.

正是由于 class_ro_t 中的兩個(gè)屬性 instanceStart 和 instanceSize 的存在纱烘，保證了 Objective-C2.0 的 ABI 穩(wěn)定性杨拐。因?yàn)榧词垢割愒黾臃椒ǎ宇愐部梢栽谶\(yùn)行時(shí)重新計(jì)算 ivar 的偏移量擂啥，從而避免重新編譯哄陶。

關(guān)于 ABI 穩(wěn)定性的問(wèn)題，本文不做贅述哺壶，讀者可以參考 Non Fragile ivars屋吨。

如果閱讀 class_ro_t 結(jié)構(gòu)體的定義就會(huì)發(fā)現(xiàn)，舊版本實(shí)現(xiàn)中類結(jié)構(gòu)體中的大部分成員變量現(xiàn)在都定義在 class_ro_t 和 class_rw_t 這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體中了山宾。感興趣的讀者可以自行對(duì)比至扰，本文不再贅述。

class_rw_t 結(jié)構(gòu)體中還有一個(gè) methods 成員變量资锰，它的類型是 method_array_t敢课，繼承自 list_array_tt。

list_array_tt 是一個(gè)泛型結(jié)構(gòu)體台妆，用于存儲(chǔ)一些元數(shù)據(jù)翎猛，而它實(shí)際上是元數(shù)據(jù)的二維數(shù)組:

{
    struct array_t {
        uint32_t count;
        List* lists[0];
    };
}
class method_array_t : 
    public list_array_tt<method_t, method_list_t> 
{
    typedef list_array_tt<method_t, method_list_t> Super;

 public:
    method_list_t **beginCategoryMethodLists() {
        return beginLists();
    }
    
    method_list_t **endCategoryMethodLists(Class cls);

    method_array_t duplicate() {
        return Super::duplicate<method_array_t>();
    }
};

其中 Element 表示元數(shù)據(jù)的類型胖翰，比如 method_t接剩，而 List 則表示用于存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)的一維數(shù)組，比如 method_list_t萨咳。

list_array_tt 有三種狀態(tài):

• 自身為空懊缺，可以類比為 [[]]

• 它只有一個(gè)指針，指向一個(gè)元數(shù)據(jù)的集合培他，可以類比為 [[1, 2]]

• 它有多個(gè)指針鹃两，指向多個(gè)元數(shù)據(jù)的集合，可以類比為 [[1, 2], [3, 4]]

當(dāng)一個(gè)類剛創(chuàng)建時(shí)舀凛，它可能處于狀態(tài) 1 或 2俊扳，但如果使用 class_addMethod 或者 category 來(lái)添加方法，就會(huì)進(jìn)入狀態(tài) 3猛遍，而且一旦進(jìn)入狀態(tài) 3 就再也不可能回到其他狀態(tài)馋记，即使新增的方法后來(lái)又被移除掉号坡。

方法合并

掌握了這些 runtime 的基礎(chǔ)只是以后就可以繼續(xù)鉆研剩下的 category 的代碼了:

auto rw = cls->data();
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);

這是剛剛卡住的地方，現(xiàn)在來(lái)看梯醒，rw 是一個(gè) class_rw_t 類型的結(jié)構(gòu)體指針宽堆。根據(jù) runtime 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它有一個(gè) methods 結(jié)構(gòu)體成員茸习，并從父類繼承了 attachLists 方法畜隶，用來(lái)合并 category 中的方法:

void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
    if (addedCount == 0) return;
    uint32_t oldCount = array()->count;
    uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
    setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
    array()->count = newCount;
    memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
    memcpy(array()->lists, addedLists, addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
}

這段代碼很簡(jiǎn)單，其實(shí)就是先調(diào)用 realloc() 函數(shù)將原來(lái)的空間拓展号胚，然后把原來(lái)的數(shù)組復(fù)制到后面籽慢，最后再把新數(shù)組復(fù)制到前面。

在實(shí)際代碼中涕刚，比上面略復(fù)雜一些嗡综。因?yàn)闉榱颂岣咝阅埽O(píng)果做了一些優(yōu)化杜漠，比如當(dāng) List 處于第二種狀態(tài)(只有一個(gè)指針极景，指向一個(gè)元數(shù)據(jù)的集合)時(shí)，其實(shí)并不需要在原地?cái)U(kuò)容空間驾茴，而是只要重新申請(qǐng)一塊內(nèi)存盼樟，并將最后一個(gè)位置留給原來(lái)的集合即可。

這樣只多花費(fèi)了很少的內(nèi)存空間锈至，也就是原來(lái)二維數(shù)組占用的內(nèi)存空間晨缴，但是 malloc() 的性能優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯，這其實(shí)是一個(gè)空間換時(shí)間的權(quán)衡問(wèn)題峡捡。

需要注意的是击碗，無(wú)論執(zhí)行哪種邏輯，參數(shù)列表中的方法都會(huì)被添加到二維數(shù)組的前面们拙。而我們簡(jiǎn)單的看一下 runtime 在查找方法時(shí)的邏輯:

static method_t *getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel){
    for (auto mlists = cls->data()->methods.beginLists(),
              end = cls->data()->methods.endLists();
         mlists != end;
         ++mlists) {
        method_t *m = search_method_list(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }
    return nil;
}
static method_t *search_method_list(const method_list_t *mlist, SEL sel) {
    for (auto& meth : *mlist) {
        if (meth.name == sel) return &meth;
    }
}

可見(jiàn)搜索的過(guò)程是按照從前向后的順序進(jìn)行的稍途，一旦找到了就會(huì)停止循環(huán)。因此 category 中定義的同名方法不會(huì)替換類中原有的方法砚婆，但是對(duì)原方法的調(diào)用實(shí)際上會(huì)調(diào)用 category 中的方法械拍。

相關(guān)文章